多面势阱（Polywell）

多面势阱（Polywell）

From Wikipedia, the free encyclopedia

 

组装的WB-6多面势阱模型

        多面势阱装置是一种以磁约束的方式将电子陷入在它的空中心内的聚变反应器。然后，负电荷的电子吸引正电荷的离子，创造速度快的足以经历惯性静电约束聚变的原子核。多面势井是由排列成多面体的称作MaGrid结构的正电荷电磁线圈组成。电场把电子从外部加速引进MaGrid结构内。在MaGrid结构内, 磁场将约束电子的绝大部分。那些逃逸的电子被电场扣留。这种结构把电子陷落在装置的中心。电子作为一个虚拟的阴极（负电位)。

        离子被注入装置中。虚拟的阴极吸引离子且静电将约束离子集密到聚变的程度，离子释放能量。约束电子所需的能量远小于需要直接将离子约束的能量，就像在其它聚变项目如ITER所做的一样。

        罗伯特·巴萨尔德把它当成一种埃尔莫尔-塔克-沃森型聚变反应器的改进来开发的，而埃尔莫尔-塔克-沃森型聚变反应器又是基于凡斯沃斯-赫希型聚变反应器的。

        巴萨尔德从理论上说明多面势阱装置可以潜在地生成净能量生产并因此变成一种电源。他的公司为美国海军开发出了初始的装置。

        多面势阱名称来源于"多面体"和"势阱"的连名词。

1. 设计

  1.1 凡斯沃斯-赫希型聚变反应器

        凡斯沃斯-赫希型聚变反应器由一个包含有正电荷的外栅格和一个负电荷的内网格的真空室构成；实质上是一种有球形栅极的大型真空管。聚变的原子核作为离子被注入到系统中，加速朝向内部网格。大部分时间，离子通过网格，并穿过中心。随着离子向外移动，它们通过使它们减速然后再使它们向内加速的穿过中心返回到内栅的过程。它们继续来来回回穿过中心直到它们要么轰击内栅要么轰击另一个原子核。大多数与其它原子核的轰击不会导致聚变，但偶尔会有充足能量的轰击会产生聚变的结果。轰击内栅升高内网格的温度并降低等离子体的能量。

        凡斯沃斯-赫希型聚变反应器的一个好处是没有电子和磁场的运动，没有同步辐射损失和 (如果内栅保持凉能减少热电子发射的话）低水平的轫致辐射。

        这一系统的根本问题是网格本身。太多的时候，原子核轰击内网格。这浪费电离和加速粒子的能量，从而冷却等离子体，最关键的是，加热和损害内网格。即使冷却问题不是关键，在一个发出足够的能量在电厂使用的反应器中，几乎可以肯定精细网眼的网格会迅速蒸发掉的。

    1.2 埃尔莫尔-塔克-沃森型聚变反应器

        埃尔莫尔-塔克-沃森型聚变反应器在网格上反转电荷。它由一个包含负电荷外网格（这可能就是室）和一个正电荷的内网格的真空室组成。电子（而不是离子）被注入到系统中，加速朝向内部网格。和凡斯沃斯-赫希型聚变反应器一样，粒子在内部网格和中心来来回回移动。当它们一再穿过中心，它们生成一个负电荷的区域，一种电势的阱，被称为是一个虚拟的阴极。要聚变的原子核然后被引入内部（正）网格，在那里它们被离子化。虚阴极使离子朝向中心加速，在中心位置它们在势阱内振荡。因为离子永远不会 (理论上)到达内网格，它们永远不会因碰撞失去它们的能量，并继续穿过中心振荡。只要有足够的振荡，离子轰击其它的高能离子并聚变。

        这种变体系统的根本问题仍然是网格本身。电子太经常的轰击网格。

    1.3 多面势阱型聚变反应器

        和凡斯沃斯-赫希型聚变反应器一样，多面势阱通过把正离子吸引到中心的负电势阱来约束正离子。然而在多面势阱中这个负的电势阱是通过被内部的磁镜拘束住的电子创建的，创造着一种虚拟的负的阴极。这种结构可避免凡斯沃斯-赫希型聚变反应器相关的离子轰击中央负阴极的损失。

        离子被加至差不多相等于用电子来产生准中性等离子体的密度，但略有过剩的电子维持着负的电势阱。多面势阱不同于传统的磁约束，因为场只约束电子，这是比含离子要容易得多的。

        到目前为止的大多数实验，MaGrid 的结构布置一直都近似是分立的、圆形的线圈，都指向中心（或都离开) 的对称排列。由于对称性，在中心磁场消失，通过线圈进入该容积的磁通再次通过线圈之间的空间离开。这种结构通过具有大场比或在某些条件下的磁波峰的磁镜把电子约束在中央容积。巴萨尔德声称MaGrid的磁场安排方式仅有点波峰，但承认圆形线圈在最接近线圈的地方产生线样的波峰的。

        多面势阱的基本概念和操作原理已经被约翰·寇迪在web的3D模拟器中可视化（需要有支持WebGL的web浏览器）。

    结果

        尽管在球形电子约束初期有困难，在2005年研究项目终止时，巴萨尔德还是报告了仅在12.5kV运行的D-D型聚变反应每秒有10⁹ 的聚变率（基于检测五个实验中的共九个中子之上，给予广泛的可信区间）。他指出，由WB-6取得的聚变率大约比类似阱深度和驱动条件下凡斯沃斯-赫希型聚变反应器实现的要大10万倍。威斯康辛-麦迪逊大学的研究人员通过比较报告说，用一个没有磁场的静电聚变反应器，在电压120kV达到每秒5×10⁹的中子率。

        巴萨尔德称，通过使用超导线圈，唯一重大的能量损失通道是通过正比于表面积的电子损失。他还说密度将用场（恒beta 条件）的平方来度量，可达到的最大磁场将用半径来度量（技术约束）。在这些条件下产生的聚变功率将用半径的7次方来度量，能量增益将用15次方来度量。虽然巴萨尔德没有公开这一估算的物理推理基础，如果为真，一只比模型大十倍的就可以成为一个核聚变电厂。

2. 与常规约束概念的比较

        多面势阱相关于各种其它的等离子体约束概念，但与它们都明显不同。它最密切相关于聚变器，与多面势阱一样的聚变器、用内心定向电场约束离子并要求等离子体压力容器内有固态网格的电极。这两种概念都趋于离子能量的高度非热、理想的单能量分布。如果离子能量可以保持在最优值附近的话，给定等离子体压力情况下的聚变率可以比热分布离子可能的最大速率高出几倍。另一方面，碰撞和集体的不稳定性倾向于还原一个热分布，因此，它通常要消耗功率来维持单能分布的。

        多面势阱不同于聚变器在于电子是被磁场约束的，这样，它还与磁场约束核聚变相关，尤其是磁镜关系最密切。在通常磁镜中中心区域是磁场的最低值，被镜面效应（一部分）和（至少在某种程度上）电子能量的非热分布所约束。在某些镜结构中，中心的磁场在每个方向上都是最小值，就像多面势阱的中心区域一样。在这种情况下的磁场就说它有"良好的曲率"，因为被这样一个磁场包含的等离子体的某一类波动是稳定的。与镜机相比较，多面势阱不只是在中心没有最低场强，而是磁场在那里完全消失。此外多面势阱没有磁轴，但是有多面体的对称性。

        现在这个时候最积极开发等离子体约束概念的是托卡马克，ITER背后的概念。基于托卡马克概念的净功率聚变反应器如果可能，肯定是一个庞大而复杂的机器。相比之下，巴萨尔德预测基于多面势阱的概念，类似的净功率聚变反应器将会是小很多倍、更简单和性价比的机器。托卡马克具有环形几何结构与嵌套的磁通面，以便离子和电子被跨过磁场线的运输丢失（主要是因为很短波长的不稳定性）。在多面势阱中粒子的约束是更为复杂的，涉及磁场和电场，粒子跨约和沿磁场线的输送，不同的离子进程而不是电子的。

3. 净功率的可能性

        所有的巴萨尔德的多面势阱实验是基于氘-氘（²H+²H )的，具有相对其它燃料在低温有较高的截面反应。氘氚（²H+³H ) 基的反应比氘-氘基的在较低温度下具有一个更高的剖面，但在地球上自然氚的相对罕见性使其作为多面势阱型反应包的内容物太昂贵了。巴萨尔德计算半径1.5米的多面势阱反应器使用（²H+²H)反应能产生经济上可行的净功率。

        ²H+²H和²H+³H反应的缺点是它们产生快中子辐射，不符合巴萨尔德的无辐射核聚变能量的目标。因此，巴萨尔德提议以硼-11和质子燃料作为反应堆的燃料。但是，存在着一些p-¹¹B 反应堆的可行性争议。麻省理工学院博士生陶德·莱德（Todd Rider）在他的论文中，计算了这种燃料的轫致损失将超过聚变电力生产至少 20%。相比之下，巴萨尔德的计算结果表明轫致损失将只是聚变电力生产的二十分之一。根据巴萨尔德的说法，高速度和核心中的离子的库仑碰撞的低截面使热化碰撞的可能性微乎其微，而边沿的低速度意味着那里的热化几乎对核心中的离子速度没有任何影响。

4. 历史

WB-2

WB-3

组装中带线圈的WB-6

        在1960年代末进行过几个多面体磁场作为等离子体聚变的约束的可能性调查。 拉夫人梯耶夫（Lavrentiev）1975年第一个发出把这种磁场结构和静电势阱组合起来取得电子约束的建议。

        罗伯特·巴萨尔德1983年拾起了这个方法，在他1989年的专利申请中提到一个承认的参考，尽管在2006年，他似乎声称独立重新发现了这个想法。国防部开始在1987年给研究提供资金，1992年美国海军开始向该项目提供低级资金。巴萨尔德，以前一直倡导托卡马克的研究，成为了这一概念的首位倡导者和研究者，因此这样的想法现在不可磨灭地与他的名字相关联。1995年他写信给美国国会，说明他只为了得到由政府赞助的融合研究支持托卡马克，但他现在相信有更好的替代托卡马克的办法。

        通过一个迭代的过程，制作了从 WB-1直到WB-8 的多面势阱模型（见下面FY2009-11的详细信息和当前的WB-7和WB-8型号）。早期的设计由紧密焊接的不锈钢的绕在方形断面线轴上的电磁铁正六方体构成。这些设计都有来自磁铁之间的，以及磁场剪切线轴的角落的链接点的"滑稽尖点"损失。进入金属的损失严重伤害了它们的特性，导致比预测更低的电子俘获性能。后来的设计（从WB-6开始）开始将接触的电磁铁隔开一个距离而避免接触，并更改为圆形截面而不是正方形的，减少磁场中不受保护的金属表面面积。这些变化大大提高系统性能，导致了大量的电子再循环和电子的约束到逐步收紧的核心。直到2005年，所有的反应器都是设计成6磁铁的正六方体（或更特别的说是一种截断的正六方体）。巴萨尔德的WB-8原先计划是更高阶多面体，有12个电磁铁 （实际的WB-8机没有采用这种设计）。

        资金变得越来越紧。根据巴萨尔德的说法，"资金显然需要用在更重要的伊拉克战争"。额外的海军研究办公室的90万美元的经费允许项目继续足以长到2005年11月的时间来取得WB-6的测试。最后制作的模型，WB-6，产生了每秒10⁹的聚变率。WB-6测试的驱动电压是约12.5 kV，由此产生的电势阱深约10kV，因此，抵达机器中心的氘核会有10千电子伏特的动能。相比之下，毕竟运行在10 kV氘聚变的聚变器只会产生难以检测的聚变率。赫希报道的这样高的聚变率只能用150 kV驱动他的机器使用氘氚聚变 （更容易多的反应）才能达到。虽然在WB-6运行的脉冲是亚毫秒级的，巴萨尔德认为就物理而言这种条件应代表稳定状态的。最关键的是，系统的模型表明一个全尺寸的模型，耗资约150–200M美元（根据燃料），应该是一个有效的发电厂，产生比其消耗的更多的能量。WB-6的最后一分钟测试过早结束，当一个手绕的电磁铁绝缘烧穿摧毁了该设备时。2006年和2007年部分期间没有更多的资金资助，该项目的军事为主的装备转给跨镇的 SpaceDev，SpaceDev也聘请了三个小组的研究人员。

        移交之后，巴萨尔德试图吸引新的投资者，试图让他们感兴趣于他的设计。在谷歌总部的对话有这样的标题，"谷歌应该往核吗?"2006年10月，第57届国际宇航大会上介绍了最后十年工作的非正式的概述。

        巴萨尔德博士成立了EMC2 聚变开发公司，一个非营利组织，为继续实施该项目寻求资助。

5. 最近美国海军的资助工作

        WB-6的成功，巴萨尔德认为系统已经显示了本身不需要有中间比例模型的，并指出，"我们可能是地球上唯一知道如何使清洁聚变系统变成实际净功率的人"。他提议将重新建造更加强大的WB-6，以验证其性能。在引导并发布几十个可重复的测试结果后，他计划召开本领域的专家会议，试图让他们跟随他的设计。假设他的设计已备份的话，该项目将已经立即走向全面演示工厂了。在该计划中的第一步是设计和建造两个更小的多的规模设计（WB-7和WB-8），以确定哪种全规模多面体电势阱最好。他写道："只有小规模的机器直在工作，其尚能够进一步改善性能，就是测试一个或两个的WB-6规模的设备，但沿多面体边缘的顶点用"正方形"或多边形线圈大约对齐 （但主面上稍有偏移）。如果这是一个环绕的截断十二面体，预计接近最优性能；比WB-6好3-5 倍"。

        巴萨尔德指出，"因此，我们有能力不要油（和其它化石燃料），但它将要4-6年和耗费$100-200M美元来建造全规模的工厂并证明它"。

        巴萨尔德说："有人将建成它；当它建成时，它将工作；工作时人们会开始使用它，就会开始取代所有其它形式的能源。

2008年财政年度工作

        2007年8月，EMC2收到美国海军研究合同1.8M美元，继续开发反应器。2007年10月，在巴萨尔德的死亡之前，多莉·格雷，于1985年共同与巴萨尔德创立EMC2，担任公司总裁和首席执行官，帮助召集Santa Fe的小组科学家继续进行他的工作。小组由涅别尔·理查德 (Rick) 领导并包括有嘉勇·帕克；（涅别尔和帕克是从洛斯·阿拉莫斯国家实验室 (兰尔）离开的物理学家）；物理学家迈克·雷运行了关键的2005年的测试；凯文·雷是操作的计算机专家。

        现在所谓的更坚固版本的WB-6的核聚变装置WB-7，建在圣地亚哥（San diego）的一个机器车间并运到Santa Fe的EMC2试验设施。该设备，与原先的一样，是由工程师麦克·斯基利康（Mike Skillicorn）设计的。这个WB-7不过不是巴萨尔德博士建议的"正方形"线圈。

        WB-7，在2008年一月初取得"第1次等离子体"。

        截至2010年，由于美国海军维持的发布研究数据的制裁，没有特定的信息发表。以前的项目，由已故的巴萨尔德博士后期领导的，在1994年至 2005年之间被封锁11年直到和美国海军的这一系列合同结束。

        2008年8月小组完成了他们第一阶段的实验，正在等待其结果评判和从他们的联邦资助方的是否应进行下一阶段实验的审查。涅别尔博士说，"我们取得了一些成功"，指的是小组的努力重现令人鼓舞的获得巴萨尔德博士的效果。涅别尔博士报告了"这是种混合"。但他表示小组有"前进的计划"。他说，"我们一般对我们从它得出的东西是快乐的，我们已经大量的了解了"。

2009财政年度工作

        2008年9月海军空战中心，武器司、中国湖，CA 公开的先征求了一个静电"威浮球"核聚变装置研究的合同

        2008年10月美国海军公开先征求了两个更多的合同也针对把EMC2作为首选供应商。这两个任务是要开发更好的检测仪表并开发离子注入枪。里克·涅别尔评论说"这不是一件大事。这是小的临时资金。它叫做还活着直到他们作出决定"。并非像涅别尔博士的意见，没有直接的证据表明，这些先征求发出去过。

        2008年12月在几个月的审查之后，专家审查小组提交了WB-7的最后结果，理查德·涅别尔博士评论说"根本没有[研究] 表明这将无法工作的，"但"这与声明说它将工作是非常不同的"。

        诺贝尔奖得主斯蒂芬·楚截至2009年为止是美国能源部长，在2007年谷歌讲座回答了一个关于多面势阱的问题，说"到目前为止，没有足够的信息，以致，我可以给评价的概率，它可能工作或不......但我想获取更多的信息"。

        在2009年1月海军空战中心先征求了另一个"修改和测试等离子体威浮球7 "的合同，似乎要资助安装上一个合同中开发的仪器，对于线圈之间连接器（链接点），安装一种新的设计和运行修改的WB-7。修改后的单元现在称为WB-7.1。此先征求开始作为20万美元的合同，但最后裁决是为30万美元，这表明早期的先征求已经被包含在这一内容了。

        2009年4月国防部发布计划给作为2009 年美国复苏与再投资法案的一部分给多面势阱提供进一步的200万美元资金。在立法中的引文称为等离子体聚变 (多面势阱）-展示融合等离子约束系统在陆基和海基的应用；OSD/USN 的联合项目。引文在文件中有166页，并建议为'国内能源供应/分布'研制这种装置 。

        2009 年5月涅别尔·理查德在流行科学/未来主义博客进行了面谈。他说："我们希望在六年内有生产净能源的产品。它可能需要更长时间，但这绝对不会是一个50年的发展项目。[...]所以如果概念起作用的话，我们应该早在2020年可以有商业工厂经营的"。

        2009年9月，FBO (联邦商业机会的web 站点）证实经济复苏法案资金下的海军合同奖金额$7.86M 美元用来构建和测试WB-8, 下一代多面势阱的原型。这种类型的设备将比原先的WB系列设备的磁场强八倍，具有更高的性能的期望。海军内的特别重要的合同是附加$4.46M选......。 基于WB8的结果测试，和政府资金资助承包商开发WB机 (WB8.1)的可用程度，包括知识和WB8 获得的改善。预计会增添更高的离子驱动功能，并将演示"PB11"反应"。

        2009年9月，美国国防部宣布此奖是法律要求的。声明中说资助用于"研究、分析、开发和测试以支持等离子体聚变计划 (多面势阱)项目。在此复苏法案奖下的努力将验证等离子体聚变的基本物理学(多面势阱）的概念，以及给海军提供多面势阱聚变的潜在应用数据"。 WB-8 的基本合同预计于2011年4月完成。WB-8.1的可选合同完成日期时2012年10月31日。

2010年财政年度工作

        除了复兴行动跟踪网站外，截至目前为止，一直没有迹象显示这项合同正在取得的进展。

        合同的合同系列项目编号 (CLINs) 有这些交货日期。

        CLIN0001------ 2010 年4月30日（=等离子体威浮球wiffleball 8）-设备建造完成。

        CLIN0002------ 2011年4月 30日（= 数据）-WB8 完成测试。

        CLIN0003------ 2011 年10月31日（= 可选 WB 8.1）-（= 可选装置的建造完成）

        CLIN0004------ 2012年10月31 日（可选数据）-完成可选设备测试

        在复苏法案网站上的第一季度报告指出： 本季度的工作重点是新的 WB-8多面势阱装置的设计、采购和设备的建设。此外开始了理论工作，以建立分析和理解来自WB-8的数据所需的计算工具。

        在复苏法案网站上第二季度报告指出： 预算，按计划为新的实验室测试设施。主要重点是施工、采购和人事和人员分庭的搬迁。（略有不同的页面格式给予不同页的号码）。

        截至2010年11月1日在复苏法案网站上第三季度的报告尚未发布。

        在复苏法案网站上第四季度报告指出：WB8完全在建造之下、多面势阱理论建模取得进展。雇用了2名全职的物理学家。（在原始页面）。在圣迭戈的工作位置也被更新。进行的现场访问提供了确认一个实验室移到了圣迭戈的。

2011年财政年度工作

        1 季度报告指出："WB-8设备施工已完成。第一次的等离子体已于2010年11月1日成功生成"。报告列出嘉勇·帕克博士作为公司官员。

        2 季度报告指出："2011年1季度，WB-8设备按设计运行并产生积极的结果。EMC2 规划在未来9-12个月进行WB-8的综合实验，基于当前合同资金计划"。

        2011年的涅别尔的 linkedin的简介说他是Santa Fe的"独立研究专业人士"。嘉勇·帕克博士在linkedin的简介将他列为代理首席执行官/能量/物质转换公司主席(EMC2)。

        在2011年5月采访中，当提及WB-8时，帕克博士评论说"这个机器比WB-7应能够生成100 0多倍的核活动，有约8倍的磁场作用......，我们打电话，取得了很好的成功。这意味着我们正在标度定的轨道上"。帕克博士还提到成功的多面势阱技术的可能未来海军使用的立场，说，"目前，所有我们资金来自海军......，是我们的客户。我们的客户需要我们保持我们最进展的机密。...他们是某种程度顾虑太多的炒作而不提供实际产品的......我们的理解是他们想让我们能成功......他们希望我们能够为我们的赞助商提供的东西。他们还希望我们商业也做的很好，只要我们仍然是美国自己的并控制着技术"。

        3季度报告指出："2011年2季度，WB-8设备已表明优秀的等离子体约束属性。EMC2正在进行高功率脉冲WB-8 测试，测试威浮球等离子体的等离子体能量和约束的度量规则"。

        2011年3季度，WB-8设备产生了超过500的高能等离子枪。EMC2 正在进行威浮球等离子体的等离子加热和约束的度量测试。

        在2011年的4季度， EMC2 修改电子注入器来增加等离子体热。在WB-8中更高的等离子体密度提示需要较高的加热功率。他们计划在2012年1季度期间进行改进电子注入器后的高beta运作的WB-8。

2012年财政年度工作

        截至2012年8月15日，美国海军已经同意给EMC2提供额外的$530万美元资金 2年以上以解决把电子泵入威浮球的问题。他们计划集成脉冲电源以支持电子枪（100+A，10kV）。WB-8一直在0.8特斯拉下运作。审查工作产生的建议就是继续和扩大这种努力，指出："迄今的实验结果都符合多面势阱概念的基本的理论框架，委员会的意见，值得继续进行和扩大"。

6. 其它计划

    6.1 悉尼大学

        澳大利亚悉尼大学一直进行多面势阱装置的研究和试验。到目前为止，他们已在等离子体物理中关于这一主题发表两篇论文，一个在2010年，一个在 2011年底。2010年5月的论文讨论了实验工作，测试了一小装置捕获电子的能力。论文假定机器具有理想的磁场场强，其中最大化了它捕捉电子的能力。论文使用分析以及模拟解决方案，分析了多面势阱的磁约束。这项工作把多面势阱的磁约束和磁镜理论挂上了钩。这项研究提交在第1 2届美日惯性静电约束核聚变讲习班上，由威斯康星大学的约翰三塔留斯汇总。

     6.2 伊朗德黑兰AEOI、核科学和技术研究所

        研究报告讨论了多面势阱在伊朗德黑兰AEOI核科学和技术研究所等离子体物理和核聚变研究学校的研究进展。报告指出进行了 OOPIC 模拟以及物理测试。这项研究建议阱深度和离子聚焦控制可以通过场强度的变化进行。报告引用其他研究的物理测试文章。小组运行一台在连续模式下的IECF机器，140KV，70mA 的电流，D-D燃料，每秒产生 2 x 10 ^7个中子。这台机器没有被确认为多面势阱装置。其他被引用的研究表明，使用离子源产生10 倍融合率的改善。

附：最近翻了几篇维基上的一般知识性的介绍文章，因和软件专业无关，故放在新浪博客上做介绍了。

文章是：人的眼睛，人的耳朵，人的大脑，光子，镜像神经元和灵魂，博文在http：//blog.sina.com.cn/u/2614811577